Laser a CO₂ vs. laser a fibra: tutto quello che devi sapere

1.0Scegliere tra laser a CO₂ e a fibra

Il ruolo fondamentale della sorgente laser: Il cuore di ogni sistema laser è la sua sorgente laser. Questo componente genera il raggio laser energizzando particelle di luce e rilasciandole in un flusso focalizzato.

Tipi comuni di sorgenti laser e relativi vantaggi: Le due sorgenti laser più utilizzate oggi sono i laser a CO₂ e i laser a fibra. Ognuna di esse offre vantaggi prestazionali distinti. La scelta della sorgente laser giusta può migliorare significativamente l'efficienza, la precisione e la flessibilità di lavorazione.

Taglio laser a CO₂ vs. a fibra per la lavorazione dei metalli: I professionisti del settore manifatturiero dibattono da tempo su quale tecnologia sia più adatta al taglio dei metalli. Alcuni preferiscono i sistemi a CO₂, ormai collaudati, mentre altri preferiscono i moderni vantaggi offerti dai laser a fibra.

Fattori chiave nella scelta di una sorgente laser: La differenza principale tra questi due tipi di laser risiede nella lunghezza d'onda e nel metodo di erogazione del raggio:

• Laser a fibra: progettati per il taglio dei metalli, operano a lunghezze d'onda più corte, il che li rende altamente efficienti nel taglio di un'ampia gamma di metalli.
• Laser CO₂: maggiore compatibilità con i materiali, ideale per tagliare materiali non metallici e determinati metalli con la giusta configurazione.

2.0Che cosa è un laser CO₂?

I laser a CO₂ sono tra i tipi di laser più versatili e ampiamente utilizzati, apprezzati per la loro ampia compatibilità con i materiali. Tagliano e incidono vaporizzando il materiale, il che li rende particolarmente efficaci per i substrati non metallici.

Come funziona:
Un laser a CO₂ funziona eccitando una miscela di gas, principalmente anidride carbonica (CO₂), azoto (N₂) ed elio. Un campo elettrico eccita le molecole di azoto, che trasferiscono energia alle molecole di CO₂ per risonanza. Le molecole di CO₂ emettono quindi fotoni, creando il raggio laser. L'elio aiuta a riportare le molecole di CO₂ al loro stato fondamentale, consentendo un'emissione continua.

Caratteristiche laser:

• Lunghezza d'onda:~10,6 micron; rientra nello spettro dell'infrarosso medio-lontano.
• Produzione: Generazione laser ad alta efficienza.
• Progetto: Struttura semplice con bassi costi di produzione.
• Gamma di potenza: Regolabile da milliwatt a kilowatt.
• Qualità del raggio: Fornisce una potenza di picco continua e stabile.
• Scalabilità: La potenza di uscita può essere aumentata estendendo il tubo laser.
• Modulazione: Il Q-switching tramite specchi rotanti consente una maggiore potenza di impulso.
• Progressi: Varianti come i laser CO₂ eccitati da RF offrono maggiore potenza, longevità ed efficienza.

Caratteristiche del laser CO₂:

• Tipi di sistema: Compatibile con diversi formati di sistemi laser CO₂.
• Personalizzazione: Disponibili in vari livelli di potenza e dimensioni dell'area di lavoro.
• Flessibilità del materiale: Supporta un'ampia gamma di substrati.

Convenienza: Il costo iniziale più basso lo rende un'opzione conveniente per l'incisione.

Materiali lavorabili:

• Taglio e incisione: Plastica, acrilico, legno, cartone, carta, tessuto, gomma.
• Solo incisione: Vetro, ceramica, pietra, metalli rivestiti. Il metallo nudo generalmente non può essere lavorato direttamente e potrebbe richiedere l'applicazione di spray o rivestimenti per marcatura.

Applicazioni tipiche:

• Produzione di segnaletica e display
• Taglio e incisione acrilica
• Regali personalizzati e personalizzazione dei giocattoli
• Produzione di trofei e premi

3.0Che cos'è un laser a fibra?

I laser a fibra utilizzano una fibra drogata con terre rare come mezzo di guadagno e sono specificamente progettati per la marcatura di metalli e applicazioni su plastica ad alto contrasto. Eccellono in applicazioni in cui i laser a CO₂ risultano carenti, offrendo alta velocità, basso consumo energetico e un funzionamento praticamente esente da manutenzione.

Come funziona:
Costruiti attorno a un'architettura monolitica, i laser a fibra generano luce stimolando una fibra ottica drogata (ad esempio, itterbio). L'energia laser viene amplificata all'interno della cavità della fibra e riflessa da reticoli di Bragg, producendo un fascio collimato che viene focalizzato sulla superficie del materiale attraverso una lente.

Vantaggi dei laser a fibra:

• Manutenzione: Praticamente esente da manutenzione per lunghi periodi.
• Misurare: Compatto e facile da integrare.
• Stabilità: Fascio luminoso di alta qualità con basso rumore e sfarfallio.
• Costo: Inferiore rispetto a sistemi comparabili con la stessa potenza in uscita.
• Ambiente: Funziona bene in condizioni industriali e di temperatura variabili.
• Velocità e potenza: Velocità di taglio elevate con livelli di potenza disponibili che raggiungono i 12 kW o più.

Tecnologia e vantaggi del taglio laser a fibra

I laser a fibra emettono fasci altamente focalizzati con un eccellente assorbimento nei metalli, rendendoli particolarmente efficaci per il taglio dei metalli. La loro bassa riflettività e l'efficiente distribuzione del fascio superano le prestazioni dei laser a CO₂ in molte applicazioni su metalli.

• Idoneità del materiale: Ideale per acciaio inossidabile, alluminio, ottone e rame.
• Spessore di taglio: In grado di tagliare lamiere di spessore superiore a 1 pollice (25 mm), con prestazioni ottimali al di sotto di 0,5 pollici (12,5 mm).
• Gas di assistenza: L'uso di azoto o ossigeno aiuta a migliorare la rimozione delle scorie, la velocità di taglio e la qualità dei bordi.
• Consumo energetico: Funziona con costi di gestione da metà a un terzo rispetto ai laser a CO₂.
• Velocità di taglio: Fino a 5 volte più veloce rispetto ai tradizionali sistemi a CO₂.
• Manutenzione: Il sistema ottico sigillato riduce al minimo le operazioni di pulizia e sostituzione delle lenti.
• Produttività: Aumenta la produttività e riduce i costi di produzione per pezzo.

Caratteristiche principali dei laser a fibra

• Marcatura diretta: In grado di incidere e marcare metalli nudi senza spray o rivestimenti.
• Durata: Lunga durata (minimo 25.000 ore).
• Asse rotante: Gli accessori rotanti opzionali consentono la marcatura su superfici cilindriche o coniche.

Materiali lavorabili:

• Metalli: Alluminio, bronzo, rame, oro, platino, argento, acciaio inossidabile, titanio.
• Plastica: ABS, poliammide, policarbonato, PMMA (acrilico), additivi marcabili al laser.

Applicazioni tipiche:

• Marcatura di articoli promozionali
• Marcatura in plastica ad alto contrasto
• Marcatura diretta dei pezzi
• Incisione di codici a barre e targhette

4.0Comprendere le principali differenze tra laser a CO₂ e laser a fibra

5.0Laser a CO₂ o a fibra: quale tecnologia è più sicura?

Rischi per la sicurezza laser: Indipendentemente dal tipo, la radiazione laser, diretta o riflessa, può rappresentare un grave rischio per gli occhi e la pelle umana. Per mitigare questo rischio, i sistemi laser sono classificati in base ai potenziali rischi biologici, con etichettatura di sicurezza obbligatoria, come definito da Norma EN 60825-1 (IEC 60825-1)La presente norma definisce le classi laser e i relativi limiti di emissione:

• Classe 1:Sicuro in normali condizioni di funzionamento, anche in caso di visione diretta prolungata o osservazione tramite strumenti ottici quali lenti di ingrandimento o telescopi.
• Classe 2M: Emette radiazioni visibili; solitamente è sicuro per l'esposizione a occhio nudo per brevi periodi, ma può causare danni se osservato attraverso ausili ottici.
• Classe 4:Elevato rischio di lesioni agli occhi e alla pelle, anche a causa di riflessi diffusi; presenta inoltre rischi di incendio.

Misure di sicurezza nei sistemi di taglio laser

Mentre laser a fibra sono intrinsecamente Classe 4 a causa della loro elevata potenza di uscita, la maggior parte dei sistemi di taglio laser a fibra sono progettati per soddisfare Standard di sicurezza di classe 1 attraverso robuste caratteristiche protettive:

• Sistemi di interblocco: Disattiva automaticamente l'emissione laser se i pannelli di accesso o gli sportelli dell'involucro non sono chiusi correttamente, impedendo l'esposizione accidentale.
• Finestre di visualizzazione protettive: Il vetro di sicurezza laser specializzato protegge gli operatori dall'esposizione al raggio laser, consentendo al contempo il monitoraggio visivo. Il vetro deve essere classificato in base alla potenza del laser, alla messa a fuoco e alle caratteristiche del fascio.

Caratteristiche di sicurezza del laser CO₂

• Progettazione aperta: Le macchine laser a CO₂ utilizzano spesso configurazioni aperte. Anche quando viene riflesso, il raggio è significativamente diffuso, riducendo la probabilità di gravi danni.
• Protezione conveniente: Il vetro di sicurezza utilizzato è solitamente semitrasparente e più economico, offrendo una protezione sufficiente senza compromettere la visibilità dell'operatore.

Considerazioni sulla sicurezza del laser a fibra

• Requisiti di certificazione: Quando si acquista un'apparecchiatura laser a fibra, assicurarsi che sia la sorgente laser che il sistema completo siano Certificato CE, confermando la conformità agli standard di sicurezza internazionali.
• Contenimento migliorato: A causa della lunghezza d'onda più corta e della maggiore densità energetica, i laser a fibra richiedono una schermatura e una progettazione dell'involucro più rigorose per prevenire un'esposizione pericolosa, anche a livelli di potenza elevati.

6.0Laser a CO₂ o a fibra: quale è più efficiente dal punto di vista energetico?

Confronto del consumo energetico:

I laser a fibra offrono un vantaggio significativo rispetto ai laser a CO₂ in termini di efficienza energetica e sostenibilità.

Efficienza del laser CO₂: Con un'efficienza elettrica di circa 10%, un laser CO₂ da 6 kW richiede in genere circa 60 kW di potenza in ingresso.

Efficienza del laser a fibra: I sistemi laser a fibra funzionano con un'efficienza di circa 45% (fino a 50%), necessitando solo di circa 13 kW di input per ottenere la stessa potenza in uscita di 6 kW.

Con l'aumentare della potenza di uscita del laser, aumentano anche le esigenze del sistema di raffreddamento. I laser a CO₂ richiedono molta più energia per mantenere un raffreddamento adeguato, con conseguenti costi elettrici più elevati rispetto ai laser a fibra.

Inoltre, la potenza necessaria per l'aspirazione e la filtrazione dei fumi dipende dalle dimensioni della macchina e dalla superficie del piano di taglio. Una maggiore potenza di taglio aumenta il carico sui sistemi di aspirazione.

Conclusione: Le macchine per il taglio laser a fibra consumano molta meno energia, con conseguenti risparmi sui costi misurabili nel tempo, in particolare negli ambienti di produzione ad alto volume o di lunga durata.

7.0Laser a CO₂ vs. a fibra: confronto degli investimenti di capitale

Mentre il prezzo di acquisto iniziale di un laser a fibra è in genere superiore a quello di un laser a CO₂, il suo velocità di taglio più elevate—soprattutto per i materiali sottili—aumentano la produttività. In combinazione con minor consumo energetico, i sistemi in fibra aiutano a ridurre il costo per pezzo.

Capacità di automazione:
Sia i sistemi laser a CO₂ che quelli a fibra supportano elevati livelli di automazione, tra cui:

• Produzione a luci spente
• Cambia ugelli automatici
• Sistemi di lenti autofocus

Queste funzionalità riducono l'intervento manuale e i tempi di inattività, aumentando l'efficienza. Sebbene una maggiore automazione comporti un aumento dei costi iniziali, riduce significativamente i tempi di inattività causati da errori degli operatori e migliora il ROI a lungo termine.

Fattori che influenzano i costi del sistema laser:

• Potenza laser
• Dimensioni dell'area di taglio
• Livello di automazione

Fascia di prezzo tipica:

• Sistemi industriali di CO₂ usati: da £ 150.000 in su
• Nuovi sistemi laser a fibra industriale: da £ 275.000 a £ 550.000, con alcuni che superano £ 1 milione

Mentre i prezzi del laser a fibra stanno gradualmente diminuendo grazie ai progressi nella tecnologia laser allo stato solido, i prezzi del laser CO₂ rimangono relativamente stabili.

8.0Laser CO₂ vs. Laser a fibra: costi di manutenzione e operativi

Requisiti di manutenzione:
I laser a fibra richiedono una manutenzione notevolmente inferiore rispetto ai laser a CO₂, in gran parte a causa delle differenze nei sistemi di erogazione del raggio.

• Laser a fibra: Utilizza cavi in fibra ottica sigillati per trasmettere il raggio laser direttamente alla testa di taglio. Il percorso del raggio chiuso elimina il rischio di contaminazione.
  • Materiali di consumo: Principalmente ugelli e finestre di protezione
  • Tempo di manutenzione tipico: Meno di 30 minuti a settimana
• Laser CO₂: Per guidare il raggio, affidatevi a bracci articolati dotati di più specchi e soffietti.
  • Esigenze di manutenzione: Specchi e soffietti sono soggetti ad accumulo di polvere e usura, richiedendo una pulizia e una sostituzione regolari
  • Usura meccanica: Il movimento del soffietto può causare fori e disallineamenti
  • Effetti termici: Il calore del laser può deformare gli specchi, disallineando il raggio e richiedendo una ricalibrazione
  • Rischio di danni: La riflessione del raggio può danneggiare componenti costosi come gli oscillatori
  • Tempo di manutenzione tipico:4–5 ore a settimana

Allineamento del raggio:

Per una qualità di taglio costante è essenziale un allineamento preciso del raggio.

• Laser CO₂: Coinvolge più specchi; il riallineamento è complesso e richiede molto tempo.
• Laser a fibra: Richiede solo la regolazione di una lente; l'allineamento è rapido e semplice.

9.0Laser CO₂ vs. Laser a fibra: confronto della velocità di taglio

Panoramica delle prestazioni di taglio:
I laser a fibra garantiscono velocità di taglio notevolmente superiori rispetto ai laser a CO₂ nella lavorazione di materiali sottili (inferiori a 8 mm), con i vantaggi più evidenti nelle applicazioni su acciaio inossidabile.

Spessore 1 mm: I laser a fibra tagliano circa 6 volte più veloce rispetto ai laser CO₂.

Spessore 5 mm: Il divario di velocità si riduce a circa 2×.

Scalabilità di potenza: L'aumento della potenza laser di circa 2 kW può aumentare la velocità di taglio per materiali sottili 2 o 3 volte.

All'aumentare dello spessore del materiale a parità di potenza, i laser a CO₂ possono avvicinarsi, o in alcuni casi superare, le velocità di taglio dei laser a fibra. Tuttavia, questo vantaggio è relativamente limitato e i laser CO₂ ad alta potenza (oltre 6 kW) sono meno comuni in contesti industriali.

I laser a fibra, al contrario, rimangono efficaci su un'ampia gamma di spessori di materiali, in particolare in sistemi ad alta potenza, dove risultano costantemente superiori in termini di velocità ed efficienza.

Nota: La velocità di taglio ottimale dovrebbe essere valutata non solo in base alle metriche di velocità, ma anche da vita utile dei materiali di consumo E assistere l'efficienza del gas per garantire un funzionamento economicamente vantaggioso.

Tabella comparativa delle velocità di taglio (laser da 6 kW vs. taglierina al plasma da 170 A)

Nota: le velocità indicate riflettono le prestazioni di taglio rettilineo. Il taglio reale con geometrie complesse o layout nidificati può produrre velocità effettive inferiori. Anche le capacità di accelerazione e decelerazione della macchina influiscono sulla produttività complessiva.

Confronto della qualità dei bordi

Laser CO₂:

I laser a CO₂ presentano uno spot del fascio più ampio, che li rende adatti al taglio di materiali di vario spessore. Questo spot più ampio produce finiture dei bordi più lisce, in particolare all'aumentare dello spessore del materiale. La qualità del bordo di taglio migliora con la profondità, rendendo i laser a CO₂ un'opzione preferibile quando la levigatezza dei bordi è un requisito fondamentale per i materiali più spessi.

Laser a fibra:

I laser a fibra hanno un diametro del fascio più piccolo, che consente tagli stretti e tagli ad alta velocità su materiali sottili. Questo fascio focalizzato aumenta l'assorbimento di energia, garantendo una lavorazione rapida ed efficiente.

Tuttavia, quando si tagliano materiali più spessi, il raggio laser a fibra colpisce principalmente la parte superiore della zona di taglio. Il laser deve fare affidamento su molteplici riflessioni interne per raggiungere la parte inferiore del taglio, il che può portare a:

Finiture superficiali più ruvide

Fini striature lungo il bordo

Aumento della pressione richiesta del gas di assistenza per evacuare efficacemente il materiale fuso

Di conseguenza, la qualità del bordo tagliato potrebbe essere inferiore a quella dei laser CO₂ quando si elaborano sezioni spesse, soprattutto nelle applicazioni che richiedono una post-elaborazione minima.

10.0Laser CO₂ vs. laser a fibra: tabella comparativa per la lavorazione dei materiali

11.0Laser a fibra vs. laser a CO₂: quale acquistare e perché?

Scelta tra taglierine laser CO₂ e fibra

Se stai pensando di acquistare una macchina per il taglio laser ma non sei sicuro se scegliere un laser a CO₂ o un laser a fibra, comprendere le differenze tra queste due tecnologie ti aiuterà a prendere una decisione informata.

Una chiara comprensione dei vantaggi e dei limiti di ogni tipo di laser ti aiuterà a capire quale sia più adatto alle tue specifiche esigenze.

11.1Confronto di taglio dell'acciaio inossidabile da 5 mm

• Campione di acciaio inossidabile da 5 mm con taglio laser CO₂
• Campione di acciaio inossidabile da 5 mm con taglio laser a fibra

(Inserisci qui lo schema o le foto di confronto)

11.2Fattori chiave nella scelta di un sistema di taglio laser

La scelta del sistema di taglio laser automatizzato più adatto richiede una valutazione completa delle applicazioni attuali, dei requisiti, dei vincoli e dei piani di crescita futuri. Le principali considerazioni includono:

• Tipi e spessori dei materiali
• Precisione di elaborazione
• Efficienza produttiva
• Budget di acquisto
• Costi operativi

11.3Confronto tecnologico e conclusione

Mentre la tecnologia laser CO₂ è ben consolidata e rimane superiore per il taglio di molti materiali non metallici, i laser a fibra offrono fino a Velocità di taglio 5 volte più veloci su metalli sottili (inferiori a 8 mm) e può ridurre i costi operativi di circa 50%.

La maggiore produttività e il ridotto costo totale di proprietà posizionano i laser a fibra come una forza trasformativa all'interno del settore.

11.4Confronto delle prestazioni chiave delle tecnologie laser

12.0Laser CO₂ vs. laser a fibra: domande frequenti

Che cosa è un laser CO₂?
Un laser a CO₂ genera luce laser eccitando le molecole di gas CO₂, producendo una lunghezza d'onda di circa 10,6 micron. È adatto per il taglio e l'incisione di un'ampia gamma di materiali non metallici ed è attualmente il tipo di laser più utilizzato.

Cos'è un laser a fibra?
Un laser a fibra utilizza una fibra ottica drogata con terre rare (comunemente itterbio) come mezzo di guadagno, con una lunghezza d'onda più corta di circa 1,064 micron. È specificamente progettato per il taglio e la marcatura dei metalli, offrendo elevata efficienza e facilità di manutenzione.

Quali sono le principali differenze tra i laser a CO₂ e i laser a fibra?

Lunghezza d'onda: I laser a CO₂ operano a 10,6 micron, i laser a fibra a 1,064 micron.

Idoneità del materiale: I laser a CO₂ sono eccellenti per i materiali non metallici, mentre i laser a fibra sono ottimizzati per il taglio dei metalli.

Efficienza e manutenzione: I laser a fibra garantiscono una maggiore efficienza energetica e una manutenzione più semplice; i laser a CO₂ consumano più energia e richiedono una manutenzione più complessa.

Quale laser è migliore per tagliare il metallo?
I laser a fibra, grazie alla loro lunghezza d'onda più corta e alla maggiore efficienza di assorbimento, sono ideali per tagliare vari metalli, in particolare lamiere sottili (<8 mm), offrendo velocità di taglio più elevate e un consumo energetico inferiore.

Quali vantaggi offrono i laser CO₂?
I laser CO₂ supportano un'ampia gamma di materiali (plastica, legno, acrilico, ecc.), hanno strutture più semplici, costi iniziali inferiori e garantiscono taglio e incisione di alta qualità su materiali non metallici.

C'è una grande differenza nei costi operativi?
I laser a fibra sono circa 4 o 5 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai laser a CO₂, con conseguenti consumi energetici e costi di manutenzione notevolmente inferiori, il che li rende più economici nel lungo termine.

Quale laser è più sicuro?
Entrambi sono laser ad alta potenza che richiedono rigorose misure di sicurezza. La maggior parte dei sistemi di taglio laser è progettata per soddisfare gli standard di sicurezza laser di Classe 1, garantendo un funzionamento sicuro.

La manutenzione del laser a fibra è complicata?
La manutenzione è semplice e consiste principalmente nella pulizia degli ugelli e dei finestrini protettivi; in genere, la durata settimanale della manutenzione è inferiore ai 30 minuti.

La manutenzione del laser CO₂ è difficile?
La manutenzione è più complessa e richiede la pulizia regolare di specchi e soffietti. La manutenzione settimanale può richiedere dalle 4 alle 5 ore.

C'è una differenza significativa nel costo di acquisto?
I laser a fibra richiedono generalmente un investimento iniziale più elevato, spesso di gran lunga superiore a quello dei laser a CO₂. Tuttavia, la maggiore efficienza e i minori costi operativi possono recuperare l'investimento nel tempo.

I laser a fibra sono adatti alla plastica e ai materiali organici?
Generalmente non consigliato. I laser a fibra sono più adatti per metalli e materie plastiche contenenti additivi sensibili al laser.

 

Riferimenti

www.researchgate.net/publication/335334467_Analisi_della_precisione_del_taglio_laser_a_fibra_e_CO2

https://www.xometry.com/resources/sheet/co2-laser-vs-fiber-laser/

https://www.tubeformsolutions.com/blog/tube-bender-7/fiber-vs-co2-laser-cutting-understanding-the-differences-448